基于DSP的四旋翼无人机控制系统研究

郭志峰 陈凯生

摘 要：四旋翼无人机是一个复杂的多输入多输出系统，控制难度较大，一直是研发人员的重点研究对象，本文以DSP为核心控制器，利用DSP可以快速实现各类数字信号处理算法的优势，研究在DSP环境下四旋翼无人机控制系统的设计，包括硬件设计和软件设计，并利用自动代码生成技术实现。

关键词：四旋翼；DSP；控制

四旋翼无人机具有结构简单，可垂直起降、对飞行空间要求少等优点，近年来备受研究人员的关注，四旋翼无人机的研究热度持续增加。四旋翼无人机是一个典型多输入多输出系统，控制难度较大，需要处理器对姿态传感器采集的姿态信号快速处理，并发送控制信号给动力系统，时时调整无人机飞行姿态。因此，四旋翼无人机的控制器需要具有快速实现各类数字信号处理算法的能力，而DSP即数字信号处理器可以解决这一问题。

本文以TMS320F28335为核心，研究四旋翼无人机的控制系统设计。TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等优点[1]。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮 点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 （HRPWM），12位16通道ADC，满足四旋翼无人机的基本需求。无人机控制系统可分为硬件系统设计和软件系统设计两部分。

1 系统硬件整体设计

无人机控制系统硬件部分主要包括处理器模块、姿态检测模块、无线通讯模块、稳压供电模块等，硬件系统整体框图如图1所示。

该系统以DSP控制器为主要处理器，起到对无人机各个模块整体协调的作用。惯性测量模块（IMU）主要包括MPU6050姿态传感器和高度气压计等，用来测量四旋翼无人机的飞行姿态数据和高度数据；无线通讯模块主要指與遥控器配对使用的接收机，无线电遥控器通过接收机远程遥控四旋翼无人机，进行姿态控制；电机驱动模块主要是指电子调速器，可以方便的控制直流无刷电机，电子调速器主要由六个功率开关和ECU芯片组成，主要功能是将直流电逆变为三相交流电，波形一般为梯形波；稳压供电模块主要负责整个系统的稳定供电，防止电脉冲信号对电子元器件的损坏；上位机可以通过串口与飞控系统连接，采集四旋翼无人机的飞行数据，以便调试和更好的控制。

2 系统软件整体设计

系统软件部分设计的思路是，惯性测量传感器测的飞机姿态信号和气压计测的高度信号进行数据融合处理后，解出飞机的俯仰角、偏航角、滚转角信号，再将这些姿态信号传递给DSP控制器进行数据处理，这些信号经过DSP控制器控制算法运算后，输出PWM信号给电子调速器，进而控制无刷直流电机的转速，达到无人机稳定飞行。

姿态解算是四旋翼无人机控制的关键之一，姿态解算的精度和速度将直接影响飞行控制算法的稳定性、可靠性和实现的难易程度，所以，姿态解算是飞行控制实现的前提[2]。常用的姿态解算算法有很多，如欧拉角法，四元数法，方向余弦法。姿态解算的主要作用是将姿态传感器和加速度传感器信号转化为无人机的姿态角和速度信号。本控制系统用的是基于四元数的姿态解算算法，四元数是爱尔兰数学家哈密顿发明的数学概念，它是复数在四维空间的延伸，它实质上是求解四个未知量的线性微分方程组，具有计算量小、算法简单等特点。

3 自动代码生成

系统硬件和软件搭建起来后，需要对DSP开发板进行程序编写和下载。传统的DSP开发方式是在TI公司提供的CCS软件下编写程序，经过仿真器与DSP开发板连接，然后进行调试、下载等工作，这样做开发效率低下、容易出错。而MATLAB为开发人员提供了DSP的自动代码生成技术，使软件开发人员摆脱了底层开发的困扰，同时将算法设计和代码实现在统一的开发环境中进行，完成了算法仿真和系统实现的无缝连接[3]。

MathWorks公司和TI公司联合开发了CCSLink工具，提供了MATLAB和CCS的接口，即把MATLAB和TI CCS及目标DSP连接起来。而且Simulink中集成了DSP的开发模块，本文在Simulink环境下建立控制系统模型，并进行模型仿真，对算法进行验证，一旦仿真结果满意，便可以插入C2000 DSP的应用模块，利用Real―Time Workshop直接生成DSP的可执行目标代码，完成代码加载、执行及与目标DSP进行通信等功能。

4 结语

通过利用TMS320F28335搭建四旋翼无人机控制系统，充分利用DSP数字信号处理方面的优势，综合硬件部分和软件部分，通过在自动代码生成技术，在Simulink中搭建仿真模型并验证，生成代码加载到DSP目标板中，最终实现了四旋翼无人机的稳定飞行。

参考文献

[1] 雷晓瑜，曹广忠.TMS320F28335及其最小应用系统设计[J].电子设计工程，2009， 17（1）：91-92.

[2] 梁延德，程敏，何福本 等.基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算[J].传感器与微系统， 2011，30（11）：56-58.